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1、 1 基于 O L R的热带气旋移动路径预报方法研究 王瑾 江吉喜 ( 国家卫星气象中心 北京 1 0 0 0 8 1 ) 提 要 运用 2 0 0 1 - - 2 0 0 2 年 6 月 1 0 日到 8 月 1 0 日西北太平洋上 1 5 个热带气旋的移动路径和 G M S 5 气 象卫星高分辨率的 O L R资料结合热带气旋年鉴资料选取多个 O L R特征值因子以及热带气旋中 心最低海平面气压采用逐步回归的方法经多次试验分别求得热带气旋未来 6小时1 2小时2 4 小时移动路径的客观预报算式 其结果与年鉴最佳路径之间的复相关系数分别为 0.954 0.945 0.914 用预留的 200
2、1 年 6 号台风作检验结果很好该方法可以在日常的业务预报中试用对提高热带气 旋路径预报水平尤其是对移向突变的热带气旋路径的预报能够提供重要参考 关键词 热带气旋 移动路径 射出长波辐射O L R 多元线性回归 1 引言 我国是世界上受热带气旋TC影响最为严重的少数几个国家之一伴随 TC 的狂风暴雨常常会 造成严重的洪涝和风暴潮灾害给国民经济和人民的生产生活带来重大损失因此提高 TC 移动 的预报水平尤其是提高那些移向突变的异常热带气旋路径的预报对于防灾减灾意义重大自从有 了气象卫星观测以后大大改进了海上资料匮乏的状况能够得到更多更高时空分辨率的有关云和 云系以及相关的推导产品从而为提高对 T
3、C 的认识提供了基础并且对它的研究和预报能力也有了 质的飞跃然而由于 TC 的移动受众多外因内因的共同作用情况复杂多变因此至今对它的预报 仍有较大误差 O L R 是气象卫星利用红外长波辐射探测通道 从宇宙空间获取的地- 气系统射出长波辐射 在热带 洋面上O L R 反映了无云或少云的下垫面海表或云顶所放射出的长波辐射前者主要决定于海表 温度S S T后者决定于云顶温度及云量由于热带地区温度的时空变化较小O L R 的变化主要受云 的影响云顶温度低或者云量增多都会使 O L R 值减少反之则使 O L R值增大而云顶温度又主要决 定于对流云的强度伸展高度因此 O L R可以反映云降水垂直运动散
4、度风和凝结热以及洋面 温度等多种信息 通常情况下 对流上升区往往是降水和大气凝结潜热释放区 对应着 O L R 的低值区 无云或少云的下沉运动区对应着 O L R 的高值区 一般以 O L R 值为 2 4 0 W / s 2为上升及下沉运动的分界线 并且小于 2 2 0 W / s 2的区域为深对流区 大于 2 5 0 W / s 2的区域为大规模下沉运动区 如副高控制区 1 由于 O L R 值的这种物理特征它可以成为反映 TC 变化的物理参数蒋尚城等2曾就热带洋面上 最低海表温度S S T 的最大值轴与 O L R最小值轴的位置和强度的关系作了气候学研究从气候学的 角度探讨了两者的相关性
5、认为它们的关系很好而 TC 与 S S T有着十分密切的关系它不仅是 TC 生成的先决条件 而且还是影响其强度及移动的重要因素3江吉喜等4曾运用由美国 NOAA-11 气象 卫星观测计算的 OLR 资料研究和概括出了台风中心附近的中尺度对流活动与台风未来移向的概括 模型图还得到了台风周围区域中 OLR 低值区的轴向对台风未来移动有着良好指示的结果但是 这只是定性分析的结果本文在此基础上运用日本 GMS5 静止卫星探测处理出的 OLR 资料采 用多元线性回归统计方法研究 OLR 场的分布与 TC 未来移动之间的关系试图找出两者之间的定 量关系使 TC 移动路径尤其是移向突变的异常移动路径的预报客
6、观化以供业务预报使用 2 2 资料和方法 根据 O L R 的物理意义和现有的资料选取 2 0 0 1 2 0 0 2年 6 月 1 0 日到 8 月 1 0 日共四个月中出现 在西北太平洋上的 1 5 个 TC 进行研究同时随机地预留出 2 0 0 1 年 6 号台风( 康妮) 作为检验样本考 察所得算法的可用性这里所使用的 OLR 资料是国家卫星气象中心由 GMS5 卫星红外水汽通道 遥测数据经过一系列的处理后得到的格点资料分辨率为 0 . 1 * 0 . 1 经纬度时间间隔为 3 小时一 次地理范围是 8 0 . 11 5 0 . 0 E 0 . 05 9 . 9 N TC 中心定位信息
7、取自中国气象局主编的热 带气旋年鉴在上述时段内 由于受已有 O L R资料的限制 3 小时间隔的 O L R 资料与 热带气旋年鉴 中 6 小时间隔的 TC 中心定位资料相匹配的样本数分别为 作 6 小时路径预报的有 2 1 3个 作 1 2 小时 路径预报的有 2 0 6 个作 2 4 小时路径预报的有 1 9 3个由于陆地上的 O L R值受复杂下垫面影响很大 而且陆地上常规观测资料较多因此在上述样本中分别剔除了 T C 登陆后的各个时次 具体方法是以 T C 中心为圆心分别以 2 0 K m 3 0 K m 4 0 K m 5 0 K m为半径从西南西起方位角 为 2 4 0作 3 0
8、的扇形区并以扇形区之间覆盖 1 5 为标准连续作这样 3 0 角的扇形区至正东 从 2 4 0 到 9 0 整个 2 1 0 的扇形范围内共有 1 3 个这样的区域然后分别计算这 1 3 个区域 O L R 的平 均值并找出其中的最大值和最小值再计算这些区域中 O L R 值小于等于 1 0 0 W / s 2 1 2 5 W / s 2 1 5 0 W / s 2 2 2 0 W / s 2和大于等于 2 5 0 W / s2的平均值并挑选出各自平均值中的最大值和最小值 最后计算满足上述 阈值条件的点在 1 3 个区域中各自的百分率以及它们的最大值以及计算上述所有 O L R 值与热带气旋
9、中心处 O L R 值之差及其最大值和最小值运用统计回归方法计算这些最大值和最小值所在区域的内 边缘角和中轴线与热带气旋移向间夹角的关系以此求出 TC 未来移向的预报算式 图 1 热带气旋预报算式因子的选取法简图 3 路径预报算式及结果分析 3 . 1 路径预报算式 对用上述方法所选出的因子作置信区间为 9 5 % 的逐步回归同时加入 TC 中心最低海平面气压 经过反复试验和因子筛选分别得到未来 6 小时1 2 小时2 4 小时 T C 预报路径复相关系数最高的三 个多元线性回归方程它们分别是 A 6小时预报路径算式 Y6= a0+ a1X1+ a2X2+ a3X3+ a4X4+ a5X5 (
10、 1 ) 式中 Y6表示预报的未来 6 小时热带气旋移向单位度 X1表示最大平均值所在区域的内边缘角 X2表示最大平均值所在区域的内边缘角与过去 6 小时热带气旋移向间的夹角 X3表示 OLR 值小于等于 100W / s 2的最大梯度所在区域的内边缘角与与过去 6 小时热带气旋移 向间的夹角 X4表示 OLR值小于等于 100 W / s 2的最大梯度所在区域的中轴线与与过去 6 小时热带气旋移向 间的夹角 X5表示 OLR 值小于等于 220 W / s 2的最大百分率所在区域的内边缘角 系数 a0 a5是由 20012002 年两年 15 个热带气旋 213 个样本经过逐步回归计算后得到
11、的 3 分别为 a0= 2.916 a1= 0.911 a2= -0.889 a3= 0.254 a4= -0.244 a5= 9.289*10-2 B12小时预报路径算式 Y1 2= b0+ b1X1+ b2X2+ b3X3+ b4X4 + b5X5 ( 2 ) 式中 Y12表示预报的 12 小时热带气旋移向单位度 X1表示最大均值所在区域的中轴线与过去 6 小时热带气旋移向间的夹角 X2表示最大梯度所在区域的中轴线与过去 6 小时热带气旋移向间的夹角 X3表示 OLR值大于等于 250 W / s 2的最大均值所在区域的内边缘角与过去 6 小时热带气旋移向 间的夹角 X4表示 OLR值小于
12、等于 220 W / s 2的最大百分率所在区域与过去 6 小时热带气旋移向间的夹角 X5表示热带气旋中心气压 系数 b0b6是由 206 个样本经过统计回归后得到的分别为 b0= 195.330 b1=1.053 b2= -1.049 b5=5.20*10-2 b4=9.02*10-2 b5= -0.2 C24小时预报路径算式 Y2 4= C0+ C1X1+ C2X2+ C3X3+ C4X4+ C5X5+ C6X6 ( 3 ) 式中 Y24表示预报的 24 小时热带气旋移向单位度 X1表示 OLR 值大于等于 250 W / s 2的最大百分率 X2表示 OLR 值大于等于 250 W /
13、s 2的最大百分率所在区域的内边缘角 X3表示 OLR值大于等于 250 W / s 2的最大百分率所在区域的中轴线与过去 6 小时热带气旋移向 间的夹角 X4表示 OLR 值小于等于 220 W / s 2的最大百分率所在区域的内边缘角 X5表示 OLR值小于等于220 W / s 2的最大百分率所在区域的中轴线与过去 6 小时热带气旋移向 间的夹角 X6表示热带气旋中心气压 系数 c0c6是由 193 个样本经过统计回归后得到的分别为 C0=365.275 C1= 15.610 C2= 0.473 C3= -0.447 C4= 0.378 C5= -0.254 C6= -0.367 3.2
14、 试验及误差分析 3.2.1 单独运用OLR特征因子 如上所述OLR 低值区轴线能够很好的指示热带气旋未来移动路径因此运用上述与 OLR 最 大值 最小值相关的各种角度因子 在半径分别为 20Km30Km40Km50Km 扇形区以内 对 2001 2002 年除预留的检验个例外全部样本做不同预报时效的统计回归计算得到置信区间为 95%时各自 的复相关系数结果如表 1 所示未来 6 小时12 小时移动路径的最优复相关系数都在半径为 40Km 的扇形内分别为 0.9530.943随着预报时效的延长得到最优复相关系数的半径也相应的增大24 小时预报路径的复相关系数在半径为 50Km 的扇形区内最好为
15、 0.908而且由表 1 还可知 OLR 场对 TC 未来 6 小时移动路径的指示意义最好这是因为在热带洋面上OLR 场主要由云和云系来决定 4 云和云系变化很快且不连续随着预报时效的延长当前 OLR 场对未来 TC 移动路径的影响自然会有 不同程度的变化 表 1 各种夹角与热带气旋未来移动路径的多元回归复相关系数 6 小时移动路径 12 小时移动路径 24 小时移动路径 半径(Km) 40 40 50 样本数 213 206 193 复相关系数1 0.953 0.943 0.908 复相关系数2 0.954 0.945 0.914 注表中复相关系数12分别是引入中心气压因子前后的值 3 .
16、2 . 2 加入热带气旋中心气压因子 虽然 TC 的移动主要受环境场引导气流和环境因素的影响但 TC 内部因子在一定程度上也会对 其移动产生影响TC 范围越大强度越强其向西北方向的内力也就越大 5 也就是说在环流形势 相似的情况下T C 强度越强其向西北方向运动的可能性也就越大因此将热带气旋中心最低海平 面气压作为一个因子引入回归算式中试验结果表明中心气压对不同预报时效的影响是不同的见 表 1比如 T C 中心气压对未来 6 小时路径预报几乎没有影响但随着预报时效的延长其影响也越 来越显著其中对未来 2 4小时的影响最大它的加入使得 2 4小时移动路径的复相关系数从原来的 0 . 9 0 8 增长到 0 . 9 1 4 与此相反可知与 OLR 最大值最小值相关的各个因子对热带气旋未来 6 小时 移动路径的影响最明显 引入热带气旋中心最低海平面气压之后分别对上述三个预报时效重新作了回归计算并对其
